Luận văn Phân bổ tần số cho mạng thông tin di động

i GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG --------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP PHÂN BỔ TẦN SỐ CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GVHD: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG MSSV: 40603103 THÁNG 1/2011 ii GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG MỤC LỤC: Chƣơng 1:GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1 1.1 Khái quát tình hình của ngành viễn thông ở Việt Nam: ................................... 1 1.2 Mục đích và nội dung của đề tài: ........................................................................ 2 Chƣơng 2: LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG:[1][2]............................. 3 2.1 Lịch sử phát triển và phân cấp cấu trúc vật lí mạng GSM : ............................ 3 2.1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM : .................................................................. 3 2.1.2 Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng : ............................................................ 4 2.2 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM: ....................................................... 6 2.2.1 Các thành phần chức năng của hệ thống: ....................................................... 7 2.1.1.1 Trạm di động (MS-mobile station) ............................................................... 7 2.1.1.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem):.................................. 8 2.1.1.3 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem): .................................. 10 2.1.1.3 Phân hệ khai thác và bảo dƣỡng (OSS): ................................................. 13 2.1.2 Giao diện vô tuyến số :............................................................................. 14 2.2 Một số khái niệm cơ bản : ................................................................................ 15 2.2.1 Cell-cluster:................................................................................................ 15 2.2.2 Dung lƣợng kênh của hệ thông cell: .......................................................... 17 2.2.3 Nhảy tần: ................................................................................................... 18 2.3 Các nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình lan truyền: ......................................... 18 2.3.1 Fading: ....................................................................................................... 18 2.3.2 Ảnh hƣởng nhiễu C/I và C/A: ................................................................... 19 2.3.3 Interference: .............................................................................................. 22 2.4 Tiến trình quy hoạch mạng: ............................................................................ 23 2.4.1 Định hệ thống : .......................................................................................... 23 2.4.2 Tiền quy hoạch: ......................................................................................... 24 iii GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG 2.4.3 Điều tra và lựa chọn trạm: ........................................................................ 24 2.4.4 Quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến: ............................................................ 25 Chƣơng 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ:[3] .................................. 34 3.1 Đặt vấn đề: ........................................................................................................ 34 3.2 Bài toán phân bổ tần số:................................................................................... 36 3.3 Thuật toàn giải bài toán phân bổ tần số và ví dụ: ........................................... 40 3.3.1 Thuât toán phân bổ tần số: ........................................................................... 40 3.3.2 Ví dụ minh hoạ : ........................................................................................ 41 Chƣơng 4: CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG “GÁN KÊNH TẦN SỐ CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG” ................................................................................................ 45 4.1 Giao diện ngƣời dùng, ý nghĩa các thông số:................................................... 45 4.1.1 Giao diện ngƣời dùng: ............................................................................... 45 4.1.2 Ý nghĩa các thông số: ................................................................................. 45 4.1.3 Sử dụng chƣơng trình: .............................................................................. 46 4.2 Trƣờng hợp dung lƣợng phân bố đều ở các cell: ............................................ 47 4.2.1 Mô hình 9 cell: ................................................................................................ 47 4.2.2 Mô hình cluster 21 cell: ............................................................................. 49 4.3 Trƣờng hợp dung lƣợng tăng cục bộ ở 1 vùng nhất định trong cluster: ........ 51 4.3.1 Mô hình cluster 9 cell: ............................................................................... 51 4.3.2 Mô hình cluster 21 cell: ............................................................................. 54 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁ TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: ................................. 57 5.1 kết luận: ............................................................................................................ 57 5.2 Hƣớng phát triển:............................................................................................. 59 1. Tài liệu tham khảo: ................................................................................................. 1 iv GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Chƣơng 1:GIỚI THIỆU 1.1 Khái quát tình hình của ngành viễn thông ở Việt Nam: - Việt Nam đang đƣợc xem là một trong những thị trƣờng viễn thông năng động nhất châu Á. - Theo số liệu công bố của bộ Thông Tin và truyền thông, tính đến tháng 7/2010, ở Việt Nam có 142.3 triệu thuê bao di động(con số này không bao gồm các thuê bao cố định và không dây) của 7 nhà mạng tham gia cung cấp dịch vụ viễn thông bao gồm: viettel, Mobiphone, Vinaphone, S-phone, EVN-telecom, VietNam mobile và Gtel mobile. Trong đó, Viettel chiếm hơn 40% số thuê bao, con số này của Vinaphone là 25%, Mobiphone là 28%, còn lại 7% là của các nhà cung cấp khác. Theo sau đó, VTC cũng đang ở giai đoạn thử nghiệm và sẽ trở thành nhà cung cấp dịch vụ thứ 7 trong tƣơng lai gần. Bên cạnh đó, dịch vụ thông tin di động mà không cấp tần số(còn gọi là “mạng di động ảo” – nhà cung cấp dịch vụ sẽ sử dụng cơ sở hạ tần của nhà cung cấp dịch vụ khác có tần số) cũng đƣợc phép tham gia vào thị trƣờng. - Cũng theo số liệu từ bộ thông tin và Truyền Thông, cả nƣớc hiện có 157,8 triệu thuê bao điện thoại ( tháng 7/2010), tăng gần gấp đôi sô với 2 năm về trƣớc, đạt mật độ máy điện thoại trên 100 dân là 177 máy/100 dân. Hình 1.1: Biểu đồ tổng dố thuê bao máy điện thoại 3286405 5512817 10124899 27460000 82250000 157800000 0 50000000 100000000 150000000 200000000 2000 2002 2004 2006 2008 2010 TỔNG SỐ THUÊ BAO TỔNG SỐ THUÊ BAO CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 2 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG 1.2 Mục đích và nội dung của đề tài: - Qua các số liệu trên, ta cũng phần nào cho chúng ta cái nhìn khái quát về thị trƣờng viễn thông. Và điều có thể dễ nhận thấy là sự tăng trƣởng mạnh mẽ của ngành viễn thông Việt Nam trong những năm gần đây. - Một vấn đề đặt ra là làm sao có thể đáp ứng chất lƣợng phục vụ cho số thuê bao ngày càng tăng lên một cách nhanh chóng trong khi tài nguyên tần số hoàn toàn có giới hạn. Do đó vấn đề cơ bản của các nhà mạng là làm sao để tăng hiệu quả sử dụng băng tần số lên tối đa, đáp ứng nhu cầu về dung lƣợng cho mạng. Một trong những vần đề quan trọng của quá trình quy hoạch và tái quy hoạch mạng là phân bổ tần số hợp lí. Nó không chỉ có ý nghĩa về mặc chất lƣợng dịch vụ mà còn có ý nghĩa kinh tế trong việc sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên. Vì vậy trong LVTN này, em sẽ tiến hành một số giải pháp để thực hiện vấn đề trên, cụ thể là:  Tìm hiểu những kiến thức cơ bản về mạng GSM, quá trình quy hoạchmạng thông tin di động, đặc biệt là cách phân bổ tần số tối ƣu. Từ đó dựng chƣơng trình mô phỏng.  Đối với việc phân bổ tần số trong quá trình quy hoạch cũng nhƣ tái quy hoạch mạng di động, yêu cầu đặt ra là phải sử dụng lại tần số tối đa nhƣng vẫn thỏa mãn các điều kiện đặt ra để hạn chế can nhiễu đồng kênh và can nhiễu kênh lân cận. Điều kiện đặt ra ở đây chính là khoảng cách tần số tối thiểu gán cho các cặp cell. Từ đó, em viết chƣơng trình“GÁN KÊNH TẦN SỐ CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG” bằng ngôn ngữ C# nhẳm tìm ra lời giải tƣơng đối hợp lý cho vấn đề này.  Phân tích, so sánh ƣu nhƣợc điểm của 2 cách sector 120o và 60o trong việc tái sử dụng lại tần số dựa trên kết quả mô phỏng có đƣợc từ chƣơng trình mô phỏng. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 3 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Chƣơng 2: LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG:[1][2] 2.1 Lịch sử phát triển và phân cấp cấu trúc vật lí mạng GSM : 2.1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM : - Đầu những năm 1980, hệ thống viễn thông tế bào trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là ở Châu Âu mà không đƣợc chuẩn hóa về các chỉ tiêu kỹ thuật. Trƣớc tình hình đó Liên minh Châu Âu về Bƣu chính viễn thông CEPT (Conference of European Posts and Telecommunications) thành lập nhóm đặc trách về di động GSM (Groupe Spécial Mobile) với nhiệm vụ phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng trên toàn Châu Âu. - Năm 1989, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute) quy định chuẩn GSM là một tiêu chuẩn chung cho mạng thông tin di động toàn Châu Âu, và năm 1990 chỉ tiêu kỹ thuật GSM phase I đƣợc công bố. - Ngày 27 tháng 3 năm 1991, cuộc gọi đầu tiên sử dụng công nghệ GSM đƣợc thực hiện bởi mạng Radiolinja ở Phần Lan (mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới). - Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vào biên bản ghi nhớ GSM MOU (Memorandum of Understanding). Cũng trong năm này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên đƣợc ký kết giữa hai mạng FinlandTelecom của Phần Lan và Vodafone của Anh. Tin nhắn SMS đầu tiên cũng đƣợc gửi đi trong năm 1992. - Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 4 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG hành, các mạng di động mới, thì số lƣợng các thuê bao cũng gia tăng một cách nhanh chóng:  Năm 1996, số thành viên GSM MOU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia, 167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt 50 triệu.  Năm 2000, GPRS đƣợc ứng dụng. Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) đƣợc đi vào hoạt động, số thuê bao GSM đã vƣợt quá 500 triệu.  Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động.  Cho đến năm 2006 số thuê bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới. Theo dự đoán của GSM Association, năm 2007 số thuê bao GSM sẽ đạt 2.5 tỉ. 2.1.2 Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng : Mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao đƣợc gọi. Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quạn trọng do tính lƣu thông của các thuê bao trong mạng. Trong hệ thống GSM, mạng đƣợc phân chia thành các phân vùng sau: Hình 2.1: Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 5 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG - Vùng phục vụ GSM : Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng đƣợc nhiều nơi trên thế giới. - Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network) : Vùng phục vụ PLMN có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia, tùy theo kích thƣớc của vùng phục vụ. Kết nối các đƣờng truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều đƣợc định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center). G-MSC làm việc nhƣ một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN. - Vùng phục vụ MSC Vùng MSC là một bộ phận của mạng đƣợc một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC đƣợc lƣu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR. Một vùng mạng GSM/PLMN đƣợc chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR. - Vùng định vị (LA - Location Area) Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đƣợc chia thành một số vùng định vị LA. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ đƣợc phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị LA đƣợc hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity): LAI = MCC + MNC + LAC CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 6 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG  MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia  MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động  LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit) - Cell (Tế bào hay ô) Vùng định vị đƣợc chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến đƣợc nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI). Mỗi ô đƣợc quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS. CGI = MCC + MNC + LAC + CI CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị. Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code). 2.2 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM: Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin di động GSM. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 7 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Các ký hiệu: OSS: Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS: Trạm vô tuyến gốc AUC: Trung tâm nhận thực MS: Trạm di động HLR: Bộ ghi định vị thƣờng trú ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ MSC: Tổng đài di động PSTN (Public Switched Telephone Network): BSS: Phân hệ trạm gốc Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng BSC: Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN: Mạng chuyển mạch gói công cộng OMC: Trung tâm khai thác và bảo dƣỡng EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị CSPDN (Circuit Switched Public Data Network): Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng. SS: phân hệ chuyển mạch VLR: Bộ ghi định vị tạm trú PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng 2.2.1 Các thành phần chức năng của hệ thống: Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM đƣợc chia thành 4 phân hệ chính sau:  Trạm di động MS (Mobile Station)  Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)  Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem)  Phân hệ khai thác và hỗ trợ (Operation and Support Subsystem) 2.1.1.1 Trạm di động (MS-mobile station) Trạm di động (MS) bao gồm thiết bị trạm di động ME (Mobile Equipment)và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao (SIM- Subscriber Identity Module).Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là card thông minh. SIM cùng với thiết bị trạm (ME-Mobile Equipment) hợp thành trạm di động MS. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế ngƣời sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 8 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động đƣợc phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity).Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Subcriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác.IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân.Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN). Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng:  Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đƣờng vô tuyến.  Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trƣờng hợp đặc biệt nhƣ gọi cấp cứu… thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy. 2.1.1.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem): BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những ngƣời sử dụng các trạm di động với những ngƣời sử dụng viễn thông khác.BSS cũng phải đƣợc điều khiển, do đó nó đƣợc đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:  TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ.  BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.  BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc  Khối BTS (Base Tranceiver Station): CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 9 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Một BTS bao gồm các thiết bị thu /phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào (cell).  Khối TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit): Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s) trƣớc khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM đƣợc tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trƣờng hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhƣng cũng có thể đƣợc đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC  Khối BSC (Base Station Controller): BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC đƣợc nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch SS. Các chức năng chính của BSC: - Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều đƣợc đƣa về BSC để đo đạc và xử lý, chẳng hạn nhƣ lƣu lƣợng thông tin ở một cell, môi trƣờng vô tuyến, số lƣợng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại... - Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trƣớc khi đƣa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS ( số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm... ). Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 10 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG - Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giảiphóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, sự đấu nối đƣợc BSCgiám sát. Cƣờng độ tín hiệu, chất lƣợng c